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Forschung

Quantenpunkte vereinfachen das Datennetz

Donnerstag, 16. April 2015

TU-Forscher entwickeln optische Bauelemente für eine energiesparende Zukunft des Internets

So winzig die Nano-Bauelemente, so groß die Geräte, mit denen sie beobachtet und gebaut werden. Physiker Holger Schmeckebier im Labor
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Alle drei Jahre verdoppelt sich derzeit der weltweite Datentransfer. Das kostet Energie. In etwa zehn Jahren wird die Datenkommunikation bei diesem Tempo so viel Energie verbrauchen, wie heute weltweit erzeugt wird. Das stellt nicht nur eine enorme Herausforderung für die Gestaltung der zukünftigen Kommunikationsstruktur dar, sondern wirft auch Fragen nach Wirtschaftlichkeit und ökologischer Nachhaltigkeit auf. Dieser Herausforderung stellen sich Physiker der TU Berlin. Sie haben optische Bauelemente basierend auf Nanotechnologie entwickelt, die langfristig die Hälfte der Energie einsparen können.

„Viele Daten werden heute in der ,Cloud‘ gesichert, werden unabhängig von Zeit und Ort bereitgestellt und abgerufen. Es werden Dienste wie Spracherkennung genutzt und Filme gestreamt. Die Nachfrage nach Video-on-Demand-Services explodiert förmlich“, erklärt Holger Schmeckebier. „Die hoch vernetzte Gesellschaft verlangt nach immer schnellerem Austausch immer größerer Informationsmengen zu immer günstigeren Preisen.“ Der Physiker forscht in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dieter Bimberg im TU-Zentrum für Nanophotonik. Mit diesen riesigen Datenmengen und deren Übertragung ist die Suche nach Möglichkeiten, den Energieverbrauch zu reduzieren, zu einem wichtigen Forschungsthema geworden, angefangen bei der Netzwerkstruktur, über die Computer und Server bis hin zu einzelnen elektronischen und optischen Bauelementen. Der Energieverbrauch jeder einzelnen Komponente eines Systems ist zu einem herausragenden Kriterium geworden.

„Schon heute finden Datenübertragungen über mehr als einige Meter zunehmend optisch statt. Die elektrische Übertragung spielt bei größeren Abständen keine Rolle mehr“, erläutert Holger Schmeckebier. In den nächsten Jahren werde sich die minimale Distanz noch deutlich verringern und in naher Zukunft im Zentimeterbereich liegen, denn: „Die Bandbreite der optischen Datenübertragung ist der elektrischen grundsätzlich deutlich überlegen.“

Es gab bislang aber ein – energiefressendes – Problem: Bei der optischen Datenübertragung wird in der Regel infrarotes, nicht sichtbares Licht über Glasfasern vom Sender zum Empfänger geleitet. Die Kommunikation zwischen zwei Stellen erfolgt in entgegengesetzter Richtung in unterschiedlichen Übertragungskanälen, jedoch in der gleichen Glasfaser. Alle zwanzig bis hundert Kilometer ist ein elektrisch betriebener optischer Verstärker erforderlich, um die Verluste zu regenerieren, die durch die Glasfaser und durch andere Komponenten auf der Strecke entstehen. Dabei werden häufig für die entgegengesetzten Übertragungskanäle getrennte Verstärker eingesetzt. Hier setzt die Neuentwicklung der TU-Physiker an. „Im Mittelpunkt unserer Arbeit stehen optische Sender und Verstärker, denen Nanostrukturen zugrunde liegen. Dafür haben wir Bauelemente entwickelt, die die optische Netzwerkarchitektur drastisch vereinfachen können“, erzählt Holger Schmeckebier. „Unsere neuartigen Bauelemente basieren auf selbstorganisierten Quantenpunkten als aktive Materialkomponenten.“ Diese winzigen atomaren Halbleitercluster haben die Form einer Pyramide. Sie sind in einem anderen Halbleiter eingeschlossen und weisen einzigartige physikalische Eigenschaften auf, die die Forscher gezielt ausnutzen. So konnten sie demonstrieren, dass ihre Verstärker gleichzeitig entgegengesetzte Übertragungskanäle verstärken, ohne dass diese sich gegenseitig beeinflussen. Ein phänomenaler Erfolg auch in Bezug auf die Energieeffizienz: „So kann einer unserer Verstärker zwei konventionelle ersetzen. Und auch noch weitere verlustbehaftete Komponenten werden durch diese Vereinfachung überflüssig.“ Mit diesen neuen Quantenpunkt-Bauelementen kann also eine Netzwerkarchitektur wesentlich energieeffizienter betrieben werden. Sie haben damit das Potenzial, für wesentlich leistungsfähigere Systeme der Zukunft zu sorgen. „Denn“, so Holger Schmeckebier, „auch bei einem Vielfachen der heutigen Datenraten funktionieren die Verstärker noch ausgezeichnet.“

 

Green Photonics Symposium

100 Jahre Forschung mit Haifa

Grüne Photonik – das sind Schlüsseltechnologien, die Photonen zur Energieerzeugung und -einsparung nutzen, die effizient auf die Herausforderungen der immer schneller wachsenden digitalen Datenwelt reagieren. Zwei Tage lang befasste sich das zweite Green Photonics Symposium, das im März 2015 an der TU Berlin stattfand, mit diesen Themen, insbesondere mit der Energieversorgung für Archivierung und Übertragung. Eingebettet war das Symposium in die offiziellen Feierlichkeiten zur Aufnahme der deutsch-israelischen diplomatischen Beziehungen vor 50 Jahren. So konnten die beiden Organisatoren, Prof. Dr. Dieter Bimberg, Physik-Professor und Leiter des Nanophotonik-Zentrums der TU Berlin, sowie Prof. Dr. Gadi Eisenstein vom Technion Israel Institute of Technology, bei der Eröffnungszeremonie unter anderem den israelischen Botschafter Yacov Hadas-Handelsman sowie Dr. Benedikt Haller, Leiter der Task Force Israel beim Auswärtigen Amt, begrüßen. Dass die besonderen wissenschaftlichen Beziehungen der TU Berlin, der damaligen Technischen Hochschule Berlin, zum Technion sogar bereits seit nunmehr 100 Jahren bestehen, darauf wies TU-Präsident Prof. Dr. Christian Thomsen hin. „Wissenschaft war schon immer eine Brücke zwischen den Ländern, Grenzen halten sie nicht auf“, so Christian Thomsen. „Doch vor dem Hintergrund der schwarzen Schatten auf den Beziehungen unserer beiden Nationen können wir heute, 70 Jahre nach der Befreiung von Auschwitz, erfreut sehen, dass in den Jahrzehnten viel Neues erwachsen ist.“ Die TU Berlin pflegt heute enge und aktive Kooperationen mit vielen israelischen Universitäten, unter anderem der Hebrew University, dem Weizman Institute, der Tel Aviv University, der Ben Gurion University.

Doch dann waren zwei Tage lang wissenschaftliche Lösungen für das „Grüne Internet“ das Thema, es ging im Wissenschaftsjahr des Lichts um die Zukunft von Lichttechnologien im Allgemeinen, um energiesparende Konzepte für Systeme, um Optoelektronik, Photovoltaik, und Quantenphysik im Besonderen (siehe nebenstehenden Artikel). Eine Veröffentlichung der Symposiums-Beiträge ist geplant.

Patricia Pätzold "TU intern" April 2015

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